王曉峰，李維運(yùn)

（中交上海航道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200120）

0 引言

航標(biāo)通常設(shè)置于通航水域或其附近，用以指示通航水域的尺寸、方向、界限及各種水下或水上障礙，供船舶定位、導(dǎo)航或其它專用目的[1]。它對(duì)水運(yùn)、漁業(yè)、海洋開發(fā)和國防建設(shè)，對(duì)建立海上和內(nèi)河的安全經(jīng)濟(jì)通道，提供可靠的航行安全保障條件[2]。視覺航標(biāo)在白天依靠航標(biāo)的形狀和顏色傳遞信息，在夜間通常依靠航標(biāo)燈光來傳遞信息，航標(biāo)燈是視覺航標(biāo)重要的組成部分。隨著智能航運(yùn)、E航海等概念的興起和發(fā)展，海上船舶逐步大型化及無人化，航標(biāo)逐漸向智能化、多功能化等方面發(fā)展，航標(biāo)在助導(dǎo)航服務(wù)方面發(fā)揮著越來越重要的作用[3]。航標(biāo)作為海上各類服務(wù)設(shè)施的重要載體，受限于航標(biāo)內(nèi)部空間限制，同時(shí)各種系統(tǒng)設(shè)備電力能源供給能力不足的劣勢逐漸顯現(xiàn)。傳統(tǒng)的航標(biāo)燈作為海上航標(biāo)重要的助導(dǎo)航設(shè)施，發(fā)光強(qiáng)度是固定的，為了滿足最遠(yuǎn)的作用距離，航標(biāo)燈始終按最遠(yuǎn)作用距離發(fā)出設(shè)定的光強(qiáng)，不利于能源的節(jié)省，同時(shí)也會(huì)對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生光污染。

特別在夜晚，對(duì)于大型船舶而言，由于其慣性較大、駕駛臺(tái)高，需要在較遠(yuǎn)處獲取燈光信號(hào)來提前做出相應(yīng)動(dòng)作，保障船舶安全航行，因此大型船舶對(duì)航標(biāo)燈光視距要求更高、航標(biāo)燈光強(qiáng)更大；而對(duì)于小型船舶而言，由于其慣性小、航行靈活且駕駛臺(tái)低，大射程的燈光容易造成眩光，不利于船舶航行，于是對(duì)航標(biāo)燈光強(qiáng)需求則沒有大型船舶需求那么高。

因此，可通過技術(shù)手段對(duì)航標(biāo)燈的使用和控制技術(shù)做出改進(jìn)，在航標(biāo)燈上搭載AIS系統(tǒng)，感知周邊船舶航行狀態(tài)，自適應(yīng)調(diào)節(jié)航標(biāo)燈射程，一方面可節(jié)省自身能源消耗[4]，另一方面可減少對(duì)周邊環(huán)境形成的光污染。該系統(tǒng)可應(yīng)用在附近船舶流量較少的區(qū)域，使用效果更為明顯。

1 技術(shù)背景

1.1 傳統(tǒng)航標(biāo)燈工作原理

圖1為傳統(tǒng)航標(biāo)燈的工作原理圖。日光控制器采集外界的光照，當(dāng)光照值比設(shè)定值大時(shí)，燈器判斷為白天，自動(dòng)關(guān)閉光源，達(dá)到白天關(guān)燈的目的。當(dāng)光照值比設(shè)定值小時(shí)，燈器判斷為夜間，自動(dòng)開啟光源，達(dá)到夜間開燈的目的。編碼控制器是產(chǎn)生航標(biāo)燈特定閃光的裝置，單片機(jī)里儲(chǔ)存各種閃光編碼，特定標(biāo)位的航標(biāo)燈可選用該標(biāo)位規(guī)定的閃光編碼。電源控制器是燈器電源的管理器，它對(duì)控制電路和光源提供設(shè)計(jì)規(guī)定的電源。

圖1 傳統(tǒng)航標(biāo)燈的工作原理框圖Fig.1 The working principle block diagram of traditional beacon light

1.2 AIS概述

AIS（Automatic Identification System，自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)）是一種工作在VHF頻段采用SOTDMA（自主時(shí)分多址）現(xiàn)代通訊技術(shù)的廣播式自動(dòng)報(bào)告系統(tǒng)[5]。AIS技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：每分鐘劃分為2 250個(gè)時(shí)間段。每個(gè)時(shí)間段可發(fā)布1條不長于256 bit的信息，長于256 bit的信息需要增加時(shí)間段。每條船舶會(huì)通過詢問選擇一個(gè)與他船不發(fā)生沖突的時(shí)間段和對(duì)應(yīng)的時(shí)間段來發(fā)布本船的信息[6]。

AIS船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，可以對(duì)船舶航行的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)信息進(jìn)行連續(xù)地監(jiān)視和管理。AIS系統(tǒng)是通過接收船舶主動(dòng)發(fā)出的AIS信號(hào)了解船舶的靜態(tài)信息和動(dòng)態(tài)信息[7]。

2 航標(biāo)燈能耗分析

根據(jù)JT/T 730—2008《航標(biāo)燈光強(qiáng)測量和燈光射程計(jì)算》標(biāo)準(zhǔn)給出燈光射程公式[8]：

式中：I為航標(biāo)燈燈光光強(qiáng)，cd，計(jì)算時(shí)以有效光強(qiáng)代入；E為照度閾值，E=0.686；D為燈光射程，n mile；T為大氣透射系數(shù)，一般取T=0.74。

將上列系數(shù)代入式（1），即為航標(biāo)燈燈光射程計(jì)算公式：

根據(jù)式（2）可知，航標(biāo)燈光射程的增加，光強(qiáng)將成倍的增加，造成能耗的增加。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過在航標(biāo)燈上加載AIS模塊，可利用AIS模塊接收附近船舶發(fā)出的動(dòng)靜態(tài)信息。動(dòng)態(tài)信息包括船舶的位置、航速、航向、航首向、航行狀態(tài)等信息，靜態(tài)信息包括船舶的MMSI、呼號(hào)與船名、IMO號(hào)碼、長度與寬度、船舶類型等。因此，系統(tǒng)可對(duì)船舶發(fā)出的AIS報(bào)文進(jìn)行識(shí)別和提取，將船舶大小、位置等信息發(fā)送至光強(qiáng)控制（選擇）模塊，達(dá)到航標(biāo)燈智能選擇光強(qiáng)的目的。航標(biāo)燈光自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 航標(biāo)燈光自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagram of beacon light adaptive adjustment system

圖3為航標(biāo)燈加載AIS模塊的框圖?？刂芃CU主要用于航標(biāo)燈的各項(xiàng)數(shù)據(jù)的收集，燈光亮度控制，燈光節(jié)奏控制，以及燈器的啟閉等；日光閥模塊用于收集感知日光強(qiáng)度，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通知MCU當(dāng)前的日光強(qiáng)度，使MCU根據(jù)日光強(qiáng)度控制燈器的啟閉，從而節(jié)約能源；燈質(zhì)模塊用于得到預(yù)設(shè)的燈質(zhì)值，MCU得到燈質(zhì)值后可根據(jù)要求進(jìn)行閃爍；DC-DC模塊作用是由于航標(biāo)燈均使用蓄電池供電，蓄電池電壓在白天充電和晚上放電時(shí)均會(huì)有浮動(dòng)，DC-DC模塊可以穩(wěn)定地輸出一個(gè)固定的燈器控制工作電壓，而不受外部輸入電壓浮動(dòng)的影響；電源輸入電磁兼容處理網(wǎng)絡(luò)作用是由于海上電磁環(huán)境惡劣，各種雷達(dá)、船舶AIS、對(duì)講機(jī)等無線電干擾，部分干擾會(huì)通過航標(biāo)燈器的電源線纜耦合進(jìn)入燈器，對(duì)燈器的正常工作帶來不必要的影響，該網(wǎng)絡(luò)可有效杜絕此類的干擾進(jìn)入；定位模塊主要通過北斗衛(wèi)星定位，實(shí)時(shí)監(jiān)測浮動(dòng)航標(biāo)的當(dāng)前位置；燈層驅(qū)動(dòng)模塊是LED的驅(qū)動(dòng)電路，具有PWM調(diào)光，恒定功率，穩(wěn)定亮度，燈器亮滅等功能，由MCU直接編程控制；LED發(fā)光源由若干LED網(wǎng)絡(luò)和透鏡組成，使燈器亮起時(shí)可以達(dá)到相應(yīng)的射程及發(fā)光角度指標(biāo)；北斗通信模塊用于將航標(biāo)燈采集的航標(biāo)數(shù)據(jù)通過北斗衛(wèi)星上傳至數(shù)據(jù)接收服務(wù)器；全網(wǎng)通信模塊用于將航標(biāo)燈采集的航標(biāo)數(shù)據(jù)通過移動(dòng)公共網(wǎng)絡(luò)上傳至數(shù)據(jù)接收服務(wù)器；AIS接口模塊可實(shí)時(shí)接收AIS接收器提供的信號(hào)，由MCU自動(dòng)調(diào)整航標(biāo)燈的射程；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊可將MCU收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行不易失存儲(chǔ)；看門狗模塊可實(shí)時(shí)監(jiān)控MCU運(yùn)行情況，防止MCU由于特殊情況下出現(xiàn)死機(jī)、宕機(jī)狀態(tài)，進(jìn)行自動(dòng)復(fù)位[9]。

圖3 航標(biāo)燈模塊框圖Fig.3 Block diagram of beacon light module

圖4為AIS模塊框圖。AIS接收是接收船舶AIS臺(tái)站發(fā)出的本船航行狀態(tài)包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)信息；解調(diào)模塊用于解調(diào)信號(hào)，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；定位模塊主要通過北斗衛(wèi)星定位，利用PPS進(jìn)行時(shí)隙0校準(zhǔn)；看門狗模塊為實(shí)時(shí)監(jiān)控MCU運(yùn)行情況，防止MCU由于特殊情況下出現(xiàn)死機(jī)、宕機(jī)狀態(tài)，進(jìn)行自動(dòng)復(fù)位；MCU對(duì)A頻點(diǎn)、B頻點(diǎn)的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行HDLC、NZRI、CRC校驗(yàn)，基帶的軟件解調(diào)；對(duì)解調(diào)成功的報(bào)文進(jìn)行判斷分析，來確定是否需要航標(biāo)燈進(jìn)行射程調(diào)整，將控制信號(hào)傳給航標(biāo)燈器。

圖4 AIS模塊框圖Fig.4 Block diagram of AIS module

AIS接收流程圖及系統(tǒng)主要工作流程圖如圖5所示。當(dāng)航標(biāo)燈在夜晚開始工作時(shí)，正常開啟弱檔光強(qiáng)，以滿足小型船舶夜間正常行駛需要。同時(shí)開啟AIS接收模塊，通過不斷接收附近船舶發(fā)出的AIS信息，判斷附近是否有大型船舶，當(dāng)有大型船舶時(shí)判斷大型船舶是否靠近，如果是，則開啟強(qiáng)檔光強(qiáng)，當(dāng)其駛離時(shí)，恢復(fù)成弱檔；當(dāng)附近沒有大型船舶，但是有中型船舶時(shí)，判斷是否靠近，如果是，則開啟中檔光強(qiáng)，直至其駛離，恢復(fù)成弱檔光強(qiáng)；當(dāng)AIS未能采集到大、中型船舶，則一直保持弱檔光強(qiáng)，滿足小型船舶正常夜間航行燈光需求。為滿足航標(biāo)燈始終滿足船舶安全航行需求，當(dāng)檢測到有大型船舶駛?cè)霑r(shí)，大型船舶享有第一優(yōu)先級(jí)別的航標(biāo)燈光射程[10]。

圖5 AIS系統(tǒng)主要工作流程圖Fig.5 The main working process of AIS system

4 結(jié)語

1）目前現(xiàn)有的航標(biāo)燈為了滿足最遠(yuǎn)的作用距離，始終按最遠(yuǎn)作用距離發(fā)出設(shè)定的光強(qiáng)，當(dāng)附近沒有船舶或者船舶較少時(shí)，對(duì)于航標(biāo)燈能源而言造成不必要的消耗和浪費(fèi)。特別當(dāng)附近只有小型船舶時(shí)，會(huì)對(duì)駕引人員造成眩暈的后果，同時(shí)也可能會(huì)對(duì)航標(biāo)燈附近居民等造成一定的光污染。通過在航標(biāo)燈上增加AIS系統(tǒng)模塊，自適應(yīng)控制航標(biāo)燈光亮度，可有效解決此類不利影響。

2）根據(jù)航標(biāo)燈能耗計(jì)算公式，當(dāng)航標(biāo)燈光射程增加，光強(qiáng)將成倍的增加，造成能耗的增加，通過感知附近船舶，收集船舶靜態(tài)信息和動(dòng)態(tài)信息，根據(jù)船舶的大小和位置對(duì)航標(biāo)燈光進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，可大幅減少航標(biāo)燈能源消耗，延長使用壽命。

3）本系統(tǒng)增加AIS系統(tǒng)模塊后，賦予了航標(biāo)感知船舶并能進(jìn)行信息交互的功能，在減少能源消耗的基礎(chǔ)上，可在航標(biāo)上增設(shè)不同的感知設(shè)施，以滿足今后航標(biāo)適應(yīng)智能航運(yùn)發(fā)展的需要。

4）本系統(tǒng)設(shè)計(jì)目前只適用于附近船舶較少的海域，對(duì)于船舶流量較大的區(qū)域，航標(biāo)燈射程基本上處于最遠(yuǎn)作用距離狀態(tài)，無法有效節(jié)省航標(biāo)能源。